Projekt 26375/01

Kleintechnische Versuche zur nachhaltigen Nanofiltration und Umkehrosmose für die zentrale Trinkwasserenthärtung

Projektträger

DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V Water Technology Center (TZW)
Karlsruher Str. 84
76139 Karlsruhe
Telefon: 0721 9678-257

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Nanofiltrations- und Niederdruckumkehrosmoseanlagen (NF/LPRO) werden derzeit in Deutschland in zunehmendem Maß zur zentralen Enthärtung von Trinkwasser eingesetzt. Entsprechend dem Verfahrensprinzip bei NF/LPRO-Anlagen werden die im Rohwasser enthaltenen Inhaltsstoffe aufkonzentriert und über den Konzentratstrom ausgeleitet. Die Aufkonzentrierung gilt auch für Stoffe, die für einen effizienten Anlagenbetrieb in den Feedstrom zugegeben werden. Hierzu zählen insbesondere Scale-Inhibitoren oder Antiscalants, deren Aufgabe darin besteht, die Ausfällung von schwer löslichen Verbindungen auf der Membran zu vermeiden.

Das Forschungsprojekt befasste sich mit Maßnahmen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit dieser Anlagen. Hierbei wurde insbesondere die Konzentratbeschaffenheit fokussiert


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDurch Ersatz der bisher verwendeten phosphorhaltigen bzw. biologisch schlecht abbaubaren Scale-Inhibitoren durch neuartige, biologisch abbaubare Produkte sollte erreicht werden, dass in der Umwelt nach einer Konzentrateinleitung lediglich die dem Rohwasser entnommenen Substanzen verbleiben. Dazu wurden Labor- und Pilotversuche mit einem Scale-Inhibitor auf Basis der inhärent biologisch abbaubaren Polyasparaginsäure (PASP) durchgeführt. Darüber hinaus erfolgten Versuche zur Behandlung von Konzentrat mittels Flockung, Filtration und Elektrodialyse.

Für die Pilotversuche wurde eine vollautomatische Anlage mit Niederdruckumkehrosmosemembranen und einer Spüleinrichtung eingesetzt. Die Pilotversuche wurden bei drei verschiedenen Wasserwerken unter Praxisbedingungen durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Durch Einsatz eines Scale-Inhibitors auf Basis von PASP gelang erfolgreich eine Scale-Inhibierung. Dafür wird allerdings eine höhere Wirkstoffdosis im Vergleich zu den bisher verwendeten Produkten benötigt. Dies bedeutet nicht zwingend höhere Kosten, da entsprechende Produkte relativ kostengünstig hergestellt werden können. Ein Ersatz der bisher eingesetzten, biologisch schlecht abbaubaren Scale-Inhibitoren durch Produkte auf Basis von PASP erscheint derzeit noch verfrüht, da unter bestimmten Bedingungen Biofouling auf den Membranen auftreten kann. Im Rahmen des F&E-Projektes gelang es jedoch, durch eine geeignete Betriebsweise das Biofouling zu begrenzen. Es wird nunmehr ein großtechnisches Modellprojekt mit einer entsprechend ausgerüsteten Anlage empfohlen, um unter Praxisbedingungen Langzeiterfahrungen beim Einsatz von PASP zu sammeln.

Verschiedene Scale-Inhibitorprodukte wurden im Laborversuch hinsichtlich ihres Inhibierungsvermögens bezüglich Calciumsulfat und Calciumcarbonat untersucht. Dazu wurde die Methode des Bottle-Test eingesetzt. Hierbei wurden übersättigte Lösungen hergestellt und die Inhibitorwirkung der Scale-Inhibitoren durch Ermittlung der Induktionszeit ermittelt. Unter den Versuchsbedingungen wiesen organische Phosphonsäuren im Vergleich zu PASP ein besseres Inhibitionsvermögen auf, was allerdings durch eine Erhöhung der PASP-Dosis kompensiert werden konnte.

Die Filtration von Konzentraten über Filter mit einer Aufenthaltszeit von 20 min war für die im Rahmen des Vorhabens untersuchten Wässer ohne Ausfällungen möglich, obwohl die Konzentrate eine hohe CaCO3-Abscheidekapazität aufwiesen. Dies ist vermutlich auf eine anhaltende Wirkung des Antiscalants zurück zu führen.

Untersuchungen zur Fällung von organischer Phosphonsäure aus Konzentrat wiesen darauf hin, dass vergleichsweise hohe Flockungsmitteldosen erforderlich sind, um eine merkliche Verminderung des Phosphonsäuregehaltes zu erzielen.

Eine kleintechnische Elektrodialyseanlage (ED) wurde mit dem Konzentrat der LPRO-Anlage beaufschlagt. Zur Festlegung der optimalen Leistung der ED-Membran wurde die Wirksamkeit einer Entsalzung in Bezug auf die Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Betriebsspannungen bestimmt. Es zeigte sich, dass trotz Betriebes mit Polumkehr an den ED-Membranen Scaling auftrat. Eine Analyse der Scaling-schicht auf den ED-Membranen ergab eine ähnliche Zusammensetzung wie an Scalingschichten bei den LPRO-Membranen.

Die Aufbereitung von Konzentraten z. B. mittels Flockung, Nitrifikation oder Elektrodialyse erscheint auch aus ökologischen Gründen als weniger erstrebenswert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse des Forschungsprojektes wurden anlässlich der Kassler Membrantage am 23.06.2010 sowie beim DVGW-Forum Wasseraufbereitungsverfahren in Karlsruhe am 11.11.2010 präsentiert.


Fazit

Ergebnisse des Forschungsprojektes wurden anlässlich der Kassler Membrantage am 23.06.2010 sowie beim DVGW-Forum Wasseraufbereitungsverfahren in Karlsruhe am 11.11.2010 präsentiert.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass es erfolgversprechende Ansätze für die Verbesserung der Konzentratbeschaffenheit von Nanofiltrations- bzw. Niederdruckumkehrosmoseanlagen gibt. Ein wesentlicher Ansatz hierzu wird im Einsatz von biologisch abbaubaren Scale-Inhibitoren gesehen. Hierzu sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, wobei gleichzeitig angepasste Betriebsbedingungen zu wählen sind. Erste Arbeiten hierzu wurden im Rahmen dieses Projektes bereits durchgeführt.